表面等离激元共振实验ppt课件
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表面等离激元基础PPT课件
1. SPPs的穿透深度
（1）金属衰减深度δm 根据金属趋肤深度的表述，定义金属衰减深度δm表示SPPs场强衰减为1/e时 的深度。
表面等离子体
（2）介质衰减深度δd 同样，定义介质衰减深度δd表示SPPs场强衰减为1/e时的深度。
第18页/共27页
Part 1The characteristic length of SPPs
表面等离子体
第22页/共27页
图h SPPs的传播长度
Part 1 The characteristic length of SPPs
表面等离子体
第23页/共27页
Part 3 The excitation Of SPPs
第24页/共27页
The excitation of SPPs 1. Prism Coupling
Plasma oscillation
近似认为离子不动，电子相对于离子做往回运动 等离子表体面等内离电子体子的集体振荡
振荡频率： 上式中，n是电子浓度，m是电子质量
第3页/共27页
Surface plasma oscillations
第4页/共27页
SPPs
Surface plasmon polaritons are electromagnetic excitations propagating at the interface between a dielectric and a conductor, evanescently confined in the perpendicular direction. These electromagnetic surface waves arise via the coupling of the electromagnetic fields to oscillations of the conductor’s electron plasma.
（1）金属衰减深度δm 根据金属趋肤深度的表述，定义金属衰减深度δm表示SPPs场强衰减为1/e时 的深度。
表面等离子体
（2）介质衰减深度δd 同样，定义介质衰减深度δd表示SPPs场强衰减为1/e时的深度。
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Part 1The characteristic length of SPPs
表面等离子体
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图h SPPs的传播长度
Part 1 The characteristic length of SPPs
表面等离子体
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Part 3 The excitation Of SPPs
第24页/共27页
The excitation of SPPs 1. Prism Coupling
Plasma oscillation
近似认为离子不动，电子相对于离子做往回运动 等离子表体面等内离电子体子的集体振荡
振荡频率： 上式中，n是电子浓度，m是电子质量
第3页/共27页
Surface plasma oscillations
第4页/共27页
SPPs
Surface plasmon polaritons are electromagnetic excitations propagating at the interface between a dielectric and a conductor, evanescently confined in the perpendicular direction. These electromagnetic surface waves arise via the coupling of the electromagnetic fields to oscillations of the conductor’s electron plasma.
表面等离子体共振PPT课件
共振角：波长固定时，反射率最低时对应的入射角。
LOGO
SPR的基本原理
不同样品对应的共振角不同
LOGO
SPR的基本原理
图为定角度范围入射型SPR传感器，入射光源 一般选择单色性好的激光器，光源经过光学系统处 理后以一定的角度范围汇聚在棱镜与金属膜的界面 上，反射光用二极管阵列接收。
LOGO
SPR的基本原理
角度旋转入射型SPR传感器有着它不可避免的 缺点，由于旋转角度需要一定时间，如果待测样品 的折射率改变迅速，则此类型SPR传感器无法得到 每个时刻样品折射率变化的信息，因此角度旋转入 射型SPR传感器只适用于折射率变化缓慢的样品。 另外，由于机械装置的存在，不可避免的将引入机 械装置自身的误差，从而导致最终探测结果的误差 增大。
LOGO
光栅耦合SPR传感器
▪ 散射光将按照不同的散射角度被散射，某一散射 光的动量在界面方向上的投影会与金属薄膜发生 共振。 LOGO
光栅SPR传感器特点
▪ 与棱镜耦合的方式类似，基于光栅耦合方式的 SPR传感器也可以通过检测反射光强度分布或波 长分布两种方式来获得SPR曲线。
▪ 光栅SPR传感器应用不够广泛，其原因是除了在 光栅制作方面有一定难度外，在分析应用上也存 在一定的问题。
除了棱镜耦合SPR传感器外，比较常见 的还有光纤型和光栅型SPR传感器，都有各 自的优缺点。
LOGO
基于光纤耦合的SPR传感器
在线传输式SPR光纤传感器
LOGO
在线传输式SPR光纤传感器特点
▪ 该模式是将一段光导纤维的包层剥去,在光纤芯核 上沉积一层高反射率金属膜。普通石英阶梯指数 光纤数值孔径一般为0·3,光纤内部可传播光线的角 度范围为78·5°~90°。在此角度范围,光线在光纤芯 核与包层的界面上发生全内反射,渗透过界面的消 失波将在金属膜中引发表面等离子体子,并在满足 一定条件下与之共振。
LOGO
SPR的基本原理
不同样品对应的共振角不同
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SPR的基本原理
图为定角度范围入射型SPR传感器，入射光源 一般选择单色性好的激光器，光源经过光学系统处 理后以一定的角度范围汇聚在棱镜与金属膜的界面 上，反射光用二极管阵列接收。
LOGO
SPR的基本原理
角度旋转入射型SPR传感器有着它不可避免的 缺点，由于旋转角度需要一定时间，如果待测样品 的折射率改变迅速，则此类型SPR传感器无法得到 每个时刻样品折射率变化的信息，因此角度旋转入 射型SPR传感器只适用于折射率变化缓慢的样品。 另外，由于机械装置的存在，不可避免的将引入机 械装置自身的误差，从而导致最终探测结果的误差 增大。
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光栅耦合SPR传感器
▪ 散射光将按照不同的散射角度被散射，某一散射 光的动量在界面方向上的投影会与金属薄膜发生 共振。 LOGO
光栅SPR传感器特点
▪ 与棱镜耦合的方式类似，基于光栅耦合方式的 SPR传感器也可以通过检测反射光强度分布或波 长分布两种方式来获得SPR曲线。
▪ 光栅SPR传感器应用不够广泛，其原因是除了在 光栅制作方面有一定难度外，在分析应用上也存 在一定的问题。
除了棱镜耦合SPR传感器外，比较常见 的还有光纤型和光栅型SPR传感器，都有各 自的优缺点。
LOGO
基于光纤耦合的SPR传感器
在线传输式SPR光纤传感器
LOGO
在线传输式SPR光纤传感器特点
▪ 该模式是将一段光导纤维的包层剥去,在光纤芯核 上沉积一层高反射率金属膜。普通石英阶梯指数 光纤数值孔径一般为0·3,光纤内部可传播光线的角 度范围为78·5°~90°。在此角度范围,光线在光纤芯 核与包层的界面上发生全内反射,渗透过界面的消 失波将在金属膜中引发表面等离子体子,并在满足 一定条件下与之共振。
等离激元ppt课件
k
电子-空穴对运动的简单叠加。
我们只要能解出电子-空穴对的运动方程，则电子体系的元激发谱就求得了
* 首先我们考虑电子-空穴对之间不存在相互作用：v(q) 0
H EkCkCk H 0
k
代表独立电子系统。那么
[H0,
kq
]
2 2m
(k
q)2
2 2m
k
2
kq
kq
kq
这里 kq 代表不计相互作用时电子-空穴对的激发能量，
准电子 • 电子间的相互作用对金属中的单个电子的性能也有影响，其中特别重要的是 屏蔽效应。
屏蔽效应是指电子间的库仑作用使每个电子周围形成了正电荷的屏蔽壳层，它 跟随激发它的电子一起运动，从而改变电子间的相互作用势和有效质量。
（电子+屏蔽电荷）的整体称为准电子。
9
准电子间的互作用势用汤川型屏蔽库仑势表示：
k
k
q
CkqCk q
k
这里Ck和Ck为消灭和产生算符，满足费米子反对易关系：
[Ck , Ck' ] CkCk' Ck'Ck kk'
[Ck , Ck' ] [Ck , Ck' ] 0
14
考虑自旋后，由算符表示的哈密顿为：
N
H
2i2 1
i1 2m 2
q
'
v(q)
(
q
q
N
)
• 为了知道给定物理系统的特性，必须以某种方式扰动系统，观察其响应。 通过扰动与响应的关系，可得知系统的元激发的信息。
* 设所考虑多粒子系统的哈密顿为H，它的本证能量和本征函数分别为 En和n
当外场作用于系统时的附加哈密顿设为 He (t)
表面等离激元共振原理
表面等离激元共振原理
表面等离激元共振是一种在表面等离激元中发生共振现象的物理现象。
表面等离激元是一种在金属和介质界面上产生的电磁波模式，它是金属中的自由电子与光子之间的耦合模式。
表面等离激元共振原理可以通过以下步骤进行解释：
1. 当电磁波入射到金属-介质界面时，部分能量会被金属吸收，而另一部分能量会被反射。
2. 当入射角度和波长满足一定的条件时，进入金属表面的光子能够与自由电子耦合形成表面等离激元。
这些电子和光子之间的耦合形成了新的电磁波模式，即表面等离激元。
3. 表面等离激元的形成导致了共振现象，即当入射角度和波长符合表面等离激元的共振条件时，能量将得到最大的能量传递。
4. 共振产生的电磁波能够在金属表面上传播，形成波浪或驻波模式，具有较高的局部电场强度。
表面等离激元共振具有很多重要的应用，包括传感器、光学器件、太阳能电池等领域。
通过调控和利用表面等离激元共振现象，可以实现更高效的能量传输、灵敏的传感器探测以及更高分辨率的成像等。
表面等离激元共振
表面等离激元共振在生物医学领域中 可用于实现高分辨率、高灵敏度的成 像与诊断，有助于疾病的早期发现和 治疗。
表面等离激元共振在太阳能电池等领 域中，可以提高光电转换效率，促进 可再生能源技术的发展。
表面等离激元共振的历史与发展
早期研究
表面等离激元共振的研究始于20世纪初，但直到近年来随 着纳米技术的快速发展，才得到了广泛关注和应用。
受介质影响
当表面等离激元遇到不同介质时 ，会发生反射、折射或耦合等现 象。
表面等离激元的共振条件
波矢匹配
当入射光波的波矢与表面等离激元的波矢相匹 配时，会发生共振增强效应。
能量守恒
入射光能量与表面等离激元的能量必须相匹配， 才能实现共振。
动量守恒
入射光与表面等离激元必须满足动量守恒定律。
03
表面等离激元共振的应用
光电探测器
用于检测共振产生的光信号，如光电流或光 电压。
激光器
提供共振所需的光源，通常选用可见光波段 的激光。
金属纳米结构
制备具有特定形貌和尺寸的金属纳米结构， 如纳米颗粒、纳米棒、纳米片等。
实验步骤与操作
样品制备
在玻璃基底上制备金属纳米结 构样品，可以采用物理气相沉
积、化学合成等方法。
光学显微镜观察
THANK YOU
实验验证难度
表面等离激元共振的实验验证是另一个技术挑战。由于表面等离激元共振的特性，实验验证需要高精度的测量设备和 复杂的实验条件，这增加了实验验证的难度。
理论模型的不完善
目前对表面等离激元共振的理论模型仍不完善，这限制了对表面等离激元共振的深入理解和应用。需要 进一步发展理论模型，提高理论预测的准确性和可靠性。
调控光电流
通过表面等离激元共振，可以调控太阳能电池中的光电流方向和大 小，优化能源利用效率。
表面等离激元共振在太阳能电池等领 域中，可以提高光电转换效率，促进 可再生能源技术的发展。
表面等离激元共振的历史与发展
早期研究
表面等离激元共振的研究始于20世纪初，但直到近年来随 着纳米技术的快速发展，才得到了广泛关注和应用。
受介质影响
当表面等离激元遇到不同介质时 ，会发生反射、折射或耦合等现 象。
表面等离激元的共振条件
波矢匹配
当入射光波的波矢与表面等离激元的波矢相匹 配时，会发生共振增强效应。
能量守恒
入射光能量与表面等离激元的能量必须相匹配， 才能实现共振。
动量守恒
入射光与表面等离激元必须满足动量守恒定律。
03
表面等离激元共振的应用
光电探测器
用于检测共振产生的光信号，如光电流或光 电压。
激光器
提供共振所需的光源，通常选用可见光波段 的激光。
金属纳米结构
制备具有特定形貌和尺寸的金属纳米结构， 如纳米颗粒、纳米棒、纳米片等。
实验步骤与操作
样品制备
在玻璃基底上制备金属纳米结 构样品，可以采用物理气相沉
积、化学合成等方法。
光学显微镜观察
THANK YOU
实验验证难度
表面等离激元共振的实验验证是另一个技术挑战。由于表面等离激元共振的特性，实验验证需要高精度的测量设备和 复杂的实验条件，这增加了实验验证的难度。
理论模型的不完善
目前对表面等离激元共振的理论模型仍不完善，这限制了对表面等离激元共振的深入理解和应用。需要 进一步发展理论模型，提高理论预测的准确性和可靠性。
调控光电流
通过表面等离激元共振，可以调控太阳能电池中的光电流方向和大 小，优化能源利用效率。
表面等离子共振的应用及研究进展ppt课件
表面等离子共振技术的应用（SPR）
15723663
可编辑课件PPT
1
目 录 / contents
一 SPR在检测中的应用
二 SPR的检测类型及其特点
三 SPR与其他检测方法的比较
四 SPR的最新研究进展
可编辑课件PPT
2
第一节
SPR在检测中的应 用
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3
一、应用概述
在SPR检测技术中，我们可以根 据样品的类型，在金膜上偶联上羧 基端、氨基端和生物素等，然后采 用化学方法将生物分子与金膜表面 共价连接，形成不同的功能表面。 通入样品后，样品与金膜表面的抗 体或抗原特异性结合，不同质量的 生物分子与金膜表面特异性结合会 引起折射率的变化，得到分子间相 互作用的特异性信号，从而应用于 生物化学分析。
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27
提高灵敏度的方法：用单层石墨烯修饰金属膜
Noncovalently Functionalized Monolayer Graphene for Sensitivity Enhancement of Surface Plasmon Resonance Immunosensors
J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 2800−2803 DOI: 10.1021/ja511512m
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30
THANKS
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31
此课件下载可自行编辑修改，此课件供参考！ 部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！感谢你的观看！
2、硅材料的SPR （SPR on silicon material）
3、多分析物SPR系统 （multi-analyte SPR system）
15723663
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1
目 录 / contents
一 SPR在检测中的应用
二 SPR的检测类型及其特点
三 SPR与其他检测方法的比较
四 SPR的最新研究进展
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2
第一节
SPR在检测中的应 用
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3
一、应用概述
在SPR检测技术中，我们可以根 据样品的类型，在金膜上偶联上羧 基端、氨基端和生物素等，然后采 用化学方法将生物分子与金膜表面 共价连接，形成不同的功能表面。 通入样品后，样品与金膜表面的抗 体或抗原特异性结合，不同质量的 生物分子与金膜表面特异性结合会 引起折射率的变化，得到分子间相 互作用的特异性信号，从而应用于 生物化学分析。
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27
提高灵敏度的方法：用单层石墨烯修饰金属膜
Noncovalently Functionalized Monolayer Graphene for Sensitivity Enhancement of Surface Plasmon Resonance Immunosensors
J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 2800−2803 DOI: 10.1021/ja511512m
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2、硅材料的SPR （SPR on silicon material）
3、多分析物SPR系统 （multi-analyte SPR system）
表面等离激元共振实验
实时检测。采用SPR传感技术，反应的进展情况可以直接地显示在计算机屏 幕上，这种对实验步骤地实时反馈，加快了实验开发和分析的速度。最为吸引 人的是，SPR传感技术可以对反应进行动力学参数分析，这是其他分析方法 所无法比拟的。
无损伤检测。SPR传感技术是一种光学检测方法，光线在传感芯片表面被反 射回来，并不与被测物接触；由于光线并不是穿透样品，甚至是混浊或不透明 的样品，也同样可以进行检测。
量结束后立刻关闭 不能手碰光学元件的表面
.
【思考题】
测量液体折射率的方法你知道有几种？具体说明 什么是表面等离激元共振现象？ 什么是倏逝波？ SPR传感技术有哪些优点？有哪些应用？ 本实验中的SPR敏感部件的结构是什么？具体使用注意事
当入射光从折射率为n1的光密介质照射到折射率为n2的光疏介质发生全反射 时，在2 种介质的交界面处将同时发生折射和反射，当入射角θ大于临界角θc 时,将发生全反射，在全内反射（Total Internal Reflected, TIR）条件下，入射 光的能量没有损失，但光的电场强度在界面处并不立即减小为零，而会渗入 光疏介质中产生消失波，光波并不是绝对地在界面上被全反射回光密介质， 而是渗入光疏介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离重新 返回光密介质，沿着反射光方向射出。这个沿着光疏介质表面流动的波称为
折射率与共振角之间的关系：
n p为 玻 璃 折 射 率
sinsp Re
mns2 mns2
np
为
sp
共
振
角
n
为
s
液
体
折
射
率
m为 金 属 的 介 电 常 数
npsinsp
Re(m)ns2 Re(m)ns2
无损伤检测。SPR传感技术是一种光学检测方法，光线在传感芯片表面被反 射回来，并不与被测物接触；由于光线并不是穿透样品，甚至是混浊或不透明 的样品，也同样可以进行检测。
量结束后立刻关闭 不能手碰光学元件的表面
.
【思考题】
测量液体折射率的方法你知道有几种？具体说明 什么是表面等离激元共振现象？ 什么是倏逝波？ SPR传感技术有哪些优点？有哪些应用？ 本实验中的SPR敏感部件的结构是什么？具体使用注意事
当入射光从折射率为n1的光密介质照射到折射率为n2的光疏介质发生全反射 时，在2 种介质的交界面处将同时发生折射和反射，当入射角θ大于临界角θc 时,将发生全反射，在全内反射（Total Internal Reflected, TIR）条件下，入射 光的能量没有损失，但光的电场强度在界面处并不立即减小为零，而会渗入 光疏介质中产生消失波，光波并不是绝对地在界面上被全反射回光密介质， 而是渗入光疏介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离重新 返回光密介质，沿着反射光方向射出。这个沿着光疏介质表面流动的波称为
折射率与共振角之间的关系：
n p为 玻 璃 折 射 率
sinsp Re
mns2 mns2
np
为
sp
共
振
角
n
为
s
液
体
折
射
率
m为 金 属 的 介 电 常 数
npsinsp
Re(m)ns2 Re(m)ns2
Lecture5 表面等离激元ppt课件
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32
Band-structure effects
微观描述的关键
n 1 ( r ,) d 3 r 1 ( r ,r ,) s( c r ,f)
1 (r ,r , ) k ,k (fk fk )k * (r ) k (r k ) k * k ( r i )k (r )
z=0
n（ D2 D1 )
n ( E2 E1 ) 0
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11
z≠0
代入
z=0
0,(z 0) (z) 1,(z 0)
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12
Retarded regime (light speed c is finite)
由麦克斯韦方程组：
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13
可以证明：s-polarized wave (TE mode) 在表面上不能存在！ 因此，我们只考虑 p-polarized wave (TM mode)：
39
几种极限情况
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40
Free-standing Ag薄膜的表面等离激元
反对称模式 -+-+-++-+-+-+
对称模式 +-+-+-+ +-+-+-+
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41
Z. Yuan and S. Gao, Phys. Rev. B 73, 155411 (2006)
表面等离激元的杂化理论
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37
模型（Non-retarded regime）
z
v 1 v
c
1
2 c
2
c
表面等离激元共振实验
实时检测。采用SPR传感技术，反应的进展情况可以直接地显示在计算机屏 幕上，这种对实验步骤地实时反馈，加快了实验开发和分析的速度。最为吸引 人的是，SPR传感技术可以对反应进行动力学参数分析，这是其他分析方法 所无法比拟的。
无损伤检测。SPR传感技术是一种光学检测方法，光线在传感芯片表面被反 射回来，并不与被测物接触；由于光线并不是穿透样品，甚至是混浊或不透明 的样品，也同样可以进行检测。
分角光随全计 折和射反实率验的射部变件化的已安光装完波成，会无需渗重新入调试光疏介质约为一个波长的深度，再沿界面
另外，它可以观察每个实验步骤对反应的影响，而不像其他实验方法只能得到实验的最终结果。
流动约半个波长再返回光密介质。光的总能量没有发生改变。 另外，它可以观察每个实验步骤对反应的影响，而不像其他实验方法只能得到实验的最终结果。
800
K9玻璃折射率
600
400
n=1.5163
200
水的折射率
0
n=1.3333
40
50
60
70
80
Degree
应用举例 ----LB膜测定
实验的难点和重点
✓ 中心对准 ✓ 等高度调整 ✓ 角度游标设定和调整
【注意事项】
眼睛不要与激光对视
数字功率计在测量10分钟前打开预热稳定，测 量结束后立刻关闭
折射率与共振角之间的关系：
n
为
p
玻
璃
折
射
率
sinsp Re
mns2 mns2
np
为
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角
n
为
s
液
体
折
射
率
m为 金 属 的 介 电 常 数
无损伤检测。SPR传感技术是一种光学检测方法，光线在传感芯片表面被反 射回来，并不与被测物接触；由于光线并不是穿透样品，甚至是混浊或不透明 的样品，也同样可以进行检测。
分角光随全计 折和射反实率验的射部变件化的已安光装完波成，会无需渗重新入调试光疏介质约为一个波长的深度，再沿界面
另外，它可以观察每个实验步骤对反应的影响，而不像其他实验方法只能得到实验的最终结果。
流动约半个波长再返回光密介质。光的总能量没有发生改变。 另外，它可以观察每个实验步骤对反应的影响，而不像其他实验方法只能得到实验的最终结果。
800
K9玻璃折射率
600
400
n=1.5163
200
水的折射率
0
n=1.3333
40
50
60
70
80
Degree
应用举例 ----LB膜测定
实验的难点和重点
✓ 中心对准 ✓ 等高度调整 ✓ 角度游标设定和调整
【注意事项】
眼睛不要与激光对视
数字功率计在测量10分钟前打开预热稳定，测 量结束后立刻关闭
折射率与共振角之间的关系：
n
为
p
玻
璃
折
射
率
sinsp Re
mns2 mns2
np
为
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共
振
角
n
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体
折
射
率
m为 金 属 的 介 电 常 数
表面等离激元PPT课件
第11页/共33页
Part 1
Surface plasmon polaritons(SPPs)
Surface plasmons (not SPPs), occur as light induced packets of electrical charges collectively oscillate at the surfaces of metals at optical frequencies. Under specific conditions, the light that radiates the object (incident light) couples with the surface plasmons to create self-sustaining, propagating electromagnetic waves known as surface plasmon polaritons (SPPs). Once launched, the SPPs ripple along the metal-dielectric interface and do not stray from this narrow path. Compared with the incident light that triggered the transformation, the SPPs can be much shorter in wavelength. In other words, when SPs couple with a photon, the resulting hybridised excitation is called a surface plasmon polariton (SPP). This SPP can propagate along the surface of a metal until energy is lost either via absorption in the metal or radiation into free-space.
Part 1
Surface plasmon polaritons(SPPs)
Surface plasmons (not SPPs), occur as light induced packets of electrical charges collectively oscillate at the surfaces of metals at optical frequencies. Under specific conditions, the light that radiates the object (incident light) couples with the surface plasmons to create self-sustaining, propagating electromagnetic waves known as surface plasmon polaritons (SPPs). Once launched, the SPPs ripple along the metal-dielectric interface and do not stray from this narrow path. Compared with the incident light that triggered the transformation, the SPPs can be much shorter in wavelength. In other words, when SPs couple with a photon, the resulting hybridised excitation is called a surface plasmon polariton (SPP). This SPP can propagate along the surface of a metal until energy is lost either via absorption in the metal or radiation into free-space.
表面等离极化激元SPP基本原理PPT课件
此外，他们还测试了透射谱对一些参数（如周期、孔径、膜厚及金属材料等） 的依赖关系，并发现了一些共同的特征。如:透射峰的位置决定于周期，而 与孔径、膜厚及金属的种类无关；透射峰的宽度决定于孔径与膜厚的比，孔径 越大、膜厚越小，则峰越宽；而且，透射峰的高度依赖于膜厚，膜越厚，则峰 越低。另外，至关重要的一点是，薄膜必须为金属膜；如果是非金属材料，则 无透射增强效应。
第20页/共25页
c.双波模型
该模型的观点和动力学衍射理论相一致，但是作者将SPP和衍射波在增强透
射中所扮演得角色给了明确的定位。他们也认为增强透射效应本质上就是电
磁波的散射，入射光被金属结构散射为可以在空间中自由传播的光波和被束
缚在表面的消逝波，但只有消逝波对亚波长孔阵透射有贡献。由于SPP就包
第18页/共25页
b. 动力学衍射模型
2004 年，Lezec 和Thio 针对增强透射现 象也提出了一个类似的模型——消逝波复 合衍射（CDEW，Composite Diffracted Evanescent Waves）模型[36]，他们也认 为增强透射效应本质上就是光的散射过程。 如图2-4 所示，光入射在样品表面时，就 会被小孔（或狭缝）都散射为可以自由传 播的辐射波（蓝线）和只能沿表面传播的 消逝波（红线）；这些消逝波在表面则进 行相干叠加（如图2-4 所示）。他们认为， 在小孔（或狭缝）的入口处，如果消逝波 干涉加强，则可导致透射极大；如果干涉 相消，则对应于透射极小。如果某一消逝 波和SPP模式匹配就可激发表面等离激元， 所以SPP也是消逝波，但SPP只是众多消 逝波中的一分子，其作用也是微不足道的。 为了证明增强透射和SPP没有直接的联系， 他们还用非金属材料作了对比实验，并观 测到了增强透射效应，只是强度比金属材 料低得多，他们将此归因于所用材料对光 有强烈散射造成的。
第20页/共25页
c.双波模型
该模型的观点和动力学衍射理论相一致，但是作者将SPP和衍射波在增强透
射中所扮演得角色给了明确的定位。他们也认为增强透射效应本质上就是电
磁波的散射，入射光被金属结构散射为可以在空间中自由传播的光波和被束
缚在表面的消逝波，但只有消逝波对亚波长孔阵透射有贡献。由于SPP就包
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b. 动力学衍射模型
2004 年，Lezec 和Thio 针对增强透射现 象也提出了一个类似的模型——消逝波复 合衍射（CDEW，Composite Diffracted Evanescent Waves）模型[36]，他们也认 为增强透射效应本质上就是光的散射过程。 如图2-4 所示，光入射在样品表面时，就 会被小孔（或狭缝）都散射为可以自由传 播的辐射波（蓝线）和只能沿表面传播的 消逝波（红线）；这些消逝波在表面则进 行相干叠加（如图2-4 所示）。他们认为， 在小孔（或狭缝）的入口处，如果消逝波 干涉加强，则可导致透射极大；如果干涉 相消，则对应于透射极小。如果某一消逝 波和SPP模式匹配就可激发表面等离激元， 所以SPP也是消逝波，但SPP只是众多消 逝波中的一分子，其作用也是微不足道的。 为了证明增强透射和SPP没有直接的联系， 他们还用非金属材料作了对比实验，并观 测到了增强透射效应，只是强度比金属材 料低得多，他们将此归因于所用材料对光 有强烈散射造成的。
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射率的计算原理和方法
.
SPR发展简介
1、1902年Wood就在光学实验中首次发现了表面等离子体共振现象 2、1941年Fano根据金属和空气界面上电磁波的激发解释了这一SPR现象，随后提出
体积等离子体子的概念，认为这是金属中体积电子密度的一种纵向波动。Ritchie注 意到当高能电子通过金属薄片时，不仅在体积等离子体子频率处有能量损失峰，在 更低频率处也有能量损失峰，并认为这与金属薄膜的界面有关。 3、1959年Powell和Swan通过实验验证了Ritchie理论 4、1960年Stern和Farrell研究了产生共振的条件并首次提出了表面等离子体子（SP） 的概念 5、1971年Kretschmann为SPR传感器结构技术奠定了基础 6、1983年Liedburg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定 7、1987年Knoll等人开始了SPR成像的研究 8、1990年Biocare AB公司开发出首台商品化. SPR仪器
三级物理实验
表面等离激元共振 Surface Plasmon Resonance
.
内容简介
实验目的 实验简介 实验原理 实验仪器 实验步骤 实验内容 数据记录与处理
.
实验目的
1、了解全反射中倏逝波的概念 2、观察表面等离激元共振现象，研究其共振
角随折射率的变化 3、进一步熟悉和了解分光计的调节和使用 4、了解和掌握共振角测量的方法，以及折
.
应用
➢药物筛选及鉴定
➢环境监测
➢毒品与食品监测
➢生物科技
免疫测定
蛋白质相互作用测定
抗体与抗原的反应测定
DNA与蛋白质相互作用分析
.
SPR传感技术的优点
免标记检测。SPR传感技术对被测物质的折射率非常敏感，它与荧光分析或 ELISA检测方法不同，省去了样品纯化和材料标记等样品准备步骤，大大节省 了额外的时间，并消除了标记物对反应造成干扰的可能性；另外，它可以观察 每个实验步骤对反应的影响，而不像其他实验方法只能得到实验的最终结果。
量结束后立刻关闭 不能手碰光学元件的表面
.
【思考题】
测量液体折射率的方法你知道有几种？具体说明 什么是表面等离激元共振现象？ 什么是倏逝波？ SPR传感技术有哪些优点？有哪些应用？ 本实验中的SPR敏感部件的结构是什么？具体使用注意事
当入射光从折射率为n1的光密介质照射到折射率为n2的光疏介质发生全反射 时，在2 种介质的交界面处将同时发生折射和反射，当入射角θ大于临界角θc 时,将发生全反射，在全内反射（Total Internal Reflected, TIR）条件下，入射 光的能量没有损失，但光的电场强度在界面处并不立即减小为零，而会渗入 光疏介质中产生消失波，光波并不是绝对地在界面上被全反射回光密介质， 而是渗入光疏介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离重新 返回光密介质，沿着反射光方向射出。这个沿着光疏介质表面流动的波称为
倏逝波
.
金属表面等离子波
把金属的价电子看成是 均匀正电荷背景下运动 的电子气体，这实际上 是一种等离子体。由于 其电子系统集体振荡形 成了等离子波。
金属板中电子气的位移
（上）金属离子（+）位于“电子海洋”中（灰 色背景），（下）电子集体向右移动
.
倏逝波（Evanescent Wave）
界面 光密 n1
800
K9玻璃折射率
600
400
n=1.5163
200
水的折射率
0
n=1.3333
40
50
60
70
80
Degree
.
应用举例 ----LB膜测定
.
实验的难点和重点
✓ 中心对准 ✓ 等高度调整 ✓ 角度游标设定和调整
.
【注意事项】
眼睛不要与激光对视 数字功率计在测量10分钟前打开预热稳定，测
.
实验原理
.
棱镜式结构
.
理论计算公式
倏逝波强度表达式：
I(z)I(0)exp(- z) d
其中： d
2
0 n12sin2n22
表面等离子体激元的波矢的模：
kx k0npsin1
k0 =2π/λ0
ksp k0
mns2
. m
ns2
产生SPR现象的条件：
kspk0npsin1Rek0
mns2 mns2
光疏n2 全反射的光波会渗入光疏介质约为一个波长的深度，再沿界面 流动约半个波长再返回光密介质。光的总能量没有发生改变。 这个沿着光疏介质表面流动的波称为倏逝波
.
SPR光学原理
光在棱镜与金属膜表面上发生全反射现象时，会形成倏逝波进入 到光疏介质中，而在介质（假设为金属介质）中又存在一定的等 离子波。当两波相遇时可能会发生共振。
基本概念
表面等离激元共振是一种能够适合探测金属表面的分子相互作用的量子光电 现象
理论上，一个表面全内部反射的光诱发从表面延伸的消散波，平行于正常的 波。这个消散场是由于光的波性质和强度随着表面距离增加而呈指数递增。 在波导/金属表面相交处，从波导延伸的消散场能够以具体的入射角耦合到电 磁表面波，这个角 称为表面等离子体共振（SPR）角
实时检测。采用SPR传感技术，反应的进展情况可以直接地显示在计算机屏 幕上，这种对实验步骤地实时反馈，加快了实验开发和分析的速度。最为吸引 人的是，SPR传感技术可以对反应进行动力学参数分析，这是其他分析方法 所无法比拟的。
无损伤检测。SPR传感技术是一种光学检测方法，光线在传感芯片表面被反 射回来，并不与被测物接触；由于光线并不是穿透样品，甚至是混浊或不透明 的样品，也同样可以进行检测。
实验步骤
分光计和实验部件已安装完成，无需重新调试 传感中心调整
样品测量读数
.
实验内容
纯水测量 无水乙醇测量 水与乙醇比例为1:1的溶液测量 不同浓度的罗丹明6G溶液测量(选做内容）
.
数据记录
次数
1
2
3…
角度值 功率值
.
数据处理
Intensity
1Байду номын сангаас00
H2O
找出共振角
1000
计算折射率
折射率与共振角之间的关系：
n p为 玻 璃 折 射 率
sinsp Re
mns2 mns2
np
为
sp
共
振
角
n
为
s
液
体
折
射
率
m为 金 属 的 介 电 常 数
npsinsp
Re(m)ns2 Re(m)ns2
.
实验仪器
数字功率计
29、激光器 30、光电探头 31、偏振器 32、微调座 33、准星（图中未标出） 3. 4、敏感部件
.
SPR发展简介
1、1902年Wood就在光学实验中首次发现了表面等离子体共振现象 2、1941年Fano根据金属和空气界面上电磁波的激发解释了这一SPR现象，随后提出
体积等离子体子的概念，认为这是金属中体积电子密度的一种纵向波动。Ritchie注 意到当高能电子通过金属薄片时，不仅在体积等离子体子频率处有能量损失峰，在 更低频率处也有能量损失峰，并认为这与金属薄膜的界面有关。 3、1959年Powell和Swan通过实验验证了Ritchie理论 4、1960年Stern和Farrell研究了产生共振的条件并首次提出了表面等离子体子（SP） 的概念 5、1971年Kretschmann为SPR传感器结构技术奠定了基础 6、1983年Liedburg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定 7、1987年Knoll等人开始了SPR成像的研究 8、1990年Biocare AB公司开发出首台商品化. SPR仪器
三级物理实验
表面等离激元共振 Surface Plasmon Resonance
.
内容简介
实验目的 实验简介 实验原理 实验仪器 实验步骤 实验内容 数据记录与处理
.
实验目的
1、了解全反射中倏逝波的概念 2、观察表面等离激元共振现象，研究其共振
角随折射率的变化 3、进一步熟悉和了解分光计的调节和使用 4、了解和掌握共振角测量的方法，以及折
.
应用
➢药物筛选及鉴定
➢环境监测
➢毒品与食品监测
➢生物科技
免疫测定
蛋白质相互作用测定
抗体与抗原的反应测定
DNA与蛋白质相互作用分析
.
SPR传感技术的优点
免标记检测。SPR传感技术对被测物质的折射率非常敏感，它与荧光分析或 ELISA检测方法不同，省去了样品纯化和材料标记等样品准备步骤，大大节省 了额外的时间，并消除了标记物对反应造成干扰的可能性；另外，它可以观察 每个实验步骤对反应的影响，而不像其他实验方法只能得到实验的最终结果。
量结束后立刻关闭 不能手碰光学元件的表面
.
【思考题】
测量液体折射率的方法你知道有几种？具体说明 什么是表面等离激元共振现象？ 什么是倏逝波？ SPR传感技术有哪些优点？有哪些应用？ 本实验中的SPR敏感部件的结构是什么？具体使用注意事
当入射光从折射率为n1的光密介质照射到折射率为n2的光疏介质发生全反射 时，在2 种介质的交界面处将同时发生折射和反射，当入射角θ大于临界角θc 时,将发生全反射，在全内反射（Total Internal Reflected, TIR）条件下，入射 光的能量没有损失，但光的电场强度在界面处并不立即减小为零，而会渗入 光疏介质中产生消失波，光波并不是绝对地在界面上被全反射回光密介质， 而是渗入光疏介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离重新 返回光密介质，沿着反射光方向射出。这个沿着光疏介质表面流动的波称为
倏逝波
.
金属表面等离子波
把金属的价电子看成是 均匀正电荷背景下运动 的电子气体，这实际上 是一种等离子体。由于 其电子系统集体振荡形 成了等离子波。
金属板中电子气的位移
（上）金属离子（+）位于“电子海洋”中（灰 色背景），（下）电子集体向右移动
.
倏逝波（Evanescent Wave）
界面 光密 n1
800
K9玻璃折射率
600
400
n=1.5163
200
水的折射率
0
n=1.3333
40
50
60
70
80
Degree
.
应用举例 ----LB膜测定
.
实验的难点和重点
✓ 中心对准 ✓ 等高度调整 ✓ 角度游标设定和调整
.
【注意事项】
眼睛不要与激光对视 数字功率计在测量10分钟前打开预热稳定，测
.
实验原理
.
棱镜式结构
.
理论计算公式
倏逝波强度表达式：
I(z)I(0)exp(- z) d
其中： d
2
0 n12sin2n22
表面等离子体激元的波矢的模：
kx k0npsin1
k0 =2π/λ0
ksp k0
mns2
. m
ns2
产生SPR现象的条件：
kspk0npsin1Rek0
mns2 mns2
光疏n2 全反射的光波会渗入光疏介质约为一个波长的深度，再沿界面 流动约半个波长再返回光密介质。光的总能量没有发生改变。 这个沿着光疏介质表面流动的波称为倏逝波
.
SPR光学原理
光在棱镜与金属膜表面上发生全反射现象时，会形成倏逝波进入 到光疏介质中，而在介质（假设为金属介质）中又存在一定的等 离子波。当两波相遇时可能会发生共振。
基本概念
表面等离激元共振是一种能够适合探测金属表面的分子相互作用的量子光电 现象
理论上，一个表面全内部反射的光诱发从表面延伸的消散波，平行于正常的 波。这个消散场是由于光的波性质和强度随着表面距离增加而呈指数递增。 在波导/金属表面相交处，从波导延伸的消散场能够以具体的入射角耦合到电 磁表面波，这个角 称为表面等离子体共振（SPR）角
实时检测。采用SPR传感技术，反应的进展情况可以直接地显示在计算机屏 幕上，这种对实验步骤地实时反馈，加快了实验开发和分析的速度。最为吸引 人的是，SPR传感技术可以对反应进行动力学参数分析，这是其他分析方法 所无法比拟的。
无损伤检测。SPR传感技术是一种光学检测方法，光线在传感芯片表面被反 射回来，并不与被测物接触；由于光线并不是穿透样品，甚至是混浊或不透明 的样品，也同样可以进行检测。
实验步骤
分光计和实验部件已安装完成，无需重新调试 传感中心调整
样品测量读数
.
实验内容
纯水测量 无水乙醇测量 水与乙醇比例为1:1的溶液测量 不同浓度的罗丹明6G溶液测量(选做内容）
.
数据记录
次数
1
2
3…
角度值 功率值
.
数据处理
Intensity
1Байду номын сангаас00
H2O
找出共振角
1000
计算折射率
折射率与共振角之间的关系：
n p为 玻 璃 折 射 率
sinsp Re
mns2 mns2
np
为
sp
共
振
角
n
为
s
液
体
折
射
率
m为 金 属 的 介 电 常 数
npsinsp
Re(m)ns2 Re(m)ns2
.
实验仪器
数字功率计
29、激光器 30、光电探头 31、偏振器 32、微调座 33、准星（图中未标出） 3. 4、敏感部件